千米高空风力发电机支架及人造风发电系统
说 明 书 摘 要
本发明涉及的这种风力发电机支架及人造风发电的类烟囱结构，是一种新型的抗压及抗弯曲的力学结构。实现方法是在封闭的类管状构件内填充压力流体（或固体）后制造的新型力学结构。即用压力容器力学结构代替现有的框架、桁架、塔架、各类型材的抗压抗弯曲的力学结构。使此类结构材料的受力方式由承受压应力的设计更改为承受拉应力的设计。在根本上消除了承压及抗弯曲力学结构的刚性不稳定产生的材料巨量消耗问题从而大幅度地降低力学结构的造价。
测算采用材质为37Mn钢材制作的本发明的压力容器力学结构在承受相同压力或弯曲载荷时在高度（或跨度）为100米及1000米时钢材消耗量为目前广泛使用的以材料承受压应力的设计比较分别为1/20及1/400以下。考虑构件自身重量影响后者的比例可能将达到1/1000以下。
利用本发明可以将风力发电机安装在1000米以上的高空；制作1000米高的类烟囱建筑将在建筑物内形成永久稳定的向上流动的风用来发电；最优良的方案是由地面的空气加热系统将空气加热升温后再通过1000米以上高度的类烟囱建筑后其内部将形成更强大的人造风用来发电将形成永久的清洁能源来源系统。
利用本发明可以制造抗撞击性能更好重量更轻、长度更大的各类车辆及船舶、大跨度及高度的吊车、抗弯及抗扭曲轴、取代各类框架、桁架、塔架等抗压及抗弯曲的力学结构。使很多目前以材料承受压应力的方式设计不可能实现的力学结构得以实现。
千米高空风力发电机支架及人造风发电系统
技术交底
发明人：任树义 专利号：201810033662.7 电话15358834461
技术领域
本发明涉及一种高刚度承压、抗弯、抗扭构件的制造及使用方法，属于抗压、抗弯曲及抗扭曲力学材料应用技术领域。
背景技术
现有的力学材料应用领域中抗压及抗弯曲力学材料的受力方式几乎全部是以材料承受压应力的设计,此类结构在承受较大高度及跨度的压力及弯曲应力时随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量呈几何基数增加(在不考虑自重的前提下高度或跨度增加1倍材料的消耗量增加到4倍),因此现有的材料力学应用领域中抗压及抗弯曲力结构的材料消耗量都是极大而导致此类结构的造价极高。
发明内容
本发明改变了抗压及抗弯曲材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，这样的结构材料消耗量是线性增加的（在不考虑自重的前提下高度或跨度增加1倍材料的消耗量增加1倍以，并且本构件自身重量对构件受力影响相对较小）。可呈大基数地降低按目前以材料受压来抵抗压力载荷的力学理论设计的各类框架、桁架、塔架类抗压及抗弯曲力学结构材料的消耗量。进而大比例地降低此类结构的造价。
这种高刚度承压构件件制造方法，其特征在于：在封闭的类管件内填充高压流体或固体制作成基本的抗压及抗弯曲力学构件。此构件内的压力物质在其两端产生的拉应力使此力学构件不因长度的增大降低其抗压及抗弯曲能力（刚度）。
所述的高压物质为轻质油类等液体或气体或固体；
附图说明：
1、本发明在风力发电机支架方面的利用；
将一长度为1000米、直径为219米壁、厚度为0.6mm的37Mn钢材的密闭钢质筒体通过增压风机（图1中件3）充满135.5公斤/平方米安全压力空气后直立（此时安全系数约为2.5倍），下部利用地锚固定，本结构外形尺寸长细比大于5:1是一个刚性稳定的力学结构（图1中件1）；在其周向均布3根以上斜拉装置增加本结构的稳定性以防止因风载等外力作用导致本结构倒塌（图1中件2），此时在本结构的顶端由于筒体内的气体压力作用可以在筒体顶端产生5100吨向上的拉应力。此时筒体总重约为3240吨；因此本构件在1000米的高空顶端具有1800吨的安全承压能力；大型风力发电机组顶端的发电机、叶片、轮毂重量约为60公斤/千瓦（图1中件4）。机组运行时最大的水平推力约为20公斤/千瓦；斜拉机构按塔筒与地面之间夹角为45º设计时作用在风力发电机组叶片上的水平推力产生的向下的分力也是20公斤/千瓦；即可以认为大型风力发电机组正常运行时的风力发电机、叶片、轮毂对风机塔架的最大压力可以折合为80公斤/千瓦。考虑到斜拉机构的重量对以上构件的影响，1800吨的顶部安全承压能力可以在本塔筒上安装20000千瓦的风力发电机组。折合37Mn材质的钢材消耗量约为160公斤/千瓦。资料证明目前广泛使用的以材料承受压应力的设计安装100米高度的风力发电机其支架16Mn材质钢材的消耗量大于180公斤/千瓦。
按本发明设计100米高度的风力发电机支架其37Mn材质钢材使用量为6公斤/千瓦；200米高度的风力发电机支架37Mn材质钢材使用量为13公斤/千瓦。
而按目前广泛使用的材料承受压应力的设计安装100米高度的风力发电机支架其16Mn材质钢材使用量为182公斤/千瓦。设若安装200米高度的风力发电机其支架16Mn材质钢材使用量将大大高于728公斤/千瓦。而实际上37Mn材质钢材与16Mn材质钢材价格几乎相同。由于以材料承受压应力的设计风机支架的材料消耗量太大，目前现有的商业用风力发电机支架几乎没有超过150米高度的使用范例。
按目前广泛使用的材料承受压应力的设计安装1000米高度的风力发电机其支架16Mn材质钢材使用量消耗量将大大高于18000公斤/千瓦。这样大的单位千瓦风力发电机组支架用钢材消耗量用于实践中显然是不可行的。
专业人员估算如果将800米高度以下的风能全部利用起来就足够全人类使用了。风力发电的能量接收设备必须将安装在需要的高度，目前广泛使用的以材料承受压应力设计的风力发电机支架因材料消耗量过大不可能完成800米高度的风力发电机组支架的使用任务。
利用本发明设计安装1000米高度的风力发电机其支架钢材消耗量仅为160公斤/千瓦可以保证为人类提供足够风能能源的任务。但风力发电机组其特点是设备投资大、风力来源的间歇性及不稳定性造成了设备运行的间歇性及不稳定性导致单位发电量的投资相对更大，进而导致发电成本相对较高不利于长期使用。大量的使用风能可能对环境产生正或负面的影响也有待于深入探讨及实践。因此以支架为动力接收点的风力发电是一项可能将要被淘汰的能源利用形式。
2、本发明在高、低空的温差发电方面的利用
将塔筒制作成高度1000米、内径219米、外径259米、内外径之间加拉条的双层密闭结构，将塔筒增压风机(图2中件3)与塔筒的内外径之间通过逆止阀门连接并向结构内部的充以安全压力的气体增压风机在系统运行时基本不消耗能量。由于本发明塔筒材料的受力方式是拉应力，因此良好的塔筒设计其承载能力是塔筒材料的截面积决定的而与塔筒的内、外壁之间的结构形状几乎无关；因此制作相同承载能力的 1000米高、内径219米、外径259米的塔筒同制作1000米高、直径为219米壁、厚度为0.6mm材料消耗量是一样的；即将塔筒设计成高度1000米、内径219米、外径259米、内外径之间加拉条的密闭结构，内、外径中间夹层充以340公斤/平方米的安全压力消耗3240吨钢材同样能够在1000米的高度获得1800吨以上的承载能力；使用时塔筒下部利用地锚固定，本结构外形尺寸长细比大于4:1是一个刚性稳定的力学结构（图2中件1）；在其周向均布3根以上斜拉装置增加本结构的稳定性以防止因风载等外力作用导致本结构倒塌（图2中件2），这是一个可以承受塔筒内60公斤/平方米负压的塔筒设计。由于地面的空气温度比1000米高空的温度高6.5℃,地面的空气密度低于高空的空气密度将形成地面空气向上流动的浮力。即在双层塔筒内壁的直径为219米的流通面积内地面低密度空气将会向上流动形成由下向上的人造永久风源。在地面温度为20℃时、塔筒高度为1000米时通过塔筒的每立方米空气依靠这一向上的浮力形成的风源的做功能力为27公斤.米。这个数值的能量可以将通过塔筒内的热空气在风力发电机(图2中件4)入口处的风速达到6.5米/秒，设若通过风力发电机后塔筒内的风速降低到4米/秒（此时塔筒内的负压为1公斤.平方米），则通过风机的每立方米空气纯做功能力为17公斤.米。此时塔筒内的空气流动总量为150000立方米/秒，折合为25000千瓦的发电能力。系统的总设备投资约为1亿元人民币以内。设备按20年的使用期限计发电成本可以控制在0.03元人民币/度之内。
本方案如果实施可以将影响区内地面的空气污染物扩散到千米以上的高度，将使地面生物圈的气体污染物浓度降低到现有状态的1/10以下，大量地发展将会使目前广泛使用的常规能源带来的各类环境污染问题大为缓解并逐渐消除。
本方案是降低地球表面温度的最快捷方案之一；将塔筒设计成高度1000-2000米利用塔筒将高空低于25℃低温较纯净空气直接送到地面将形成有效的制冷空调及纯净空气供应系统。
本方案是一项可以解决人类清洁能源需求的设计，但大量的使用可能使地面的温度降低产生温度污染影响地面的动、植物的生活及生长。采用本方案生产电力能源总体看各有利弊，设若大批量使用需要今后长期观察再做最终评价。目前看提高塔筒的高度是降低本能源利用方案对环境正、负双方面影响的重要方法之一。
3、利用地面的空气加热系统加热空气通过塔筒后产生的更强大的人造风发电。
将塔筒设计成高度1000米、内径219米、外径259米、内外径之间加拉条的密闭结构的结构，内外径中间夹层充以340公斤/平方米的安全压力消耗3240吨钢材同样能够在1000米的高度获得1800吨以上的承载能力；使用时塔筒下部利用地锚固定，本结构外形尺寸长细比大于4:1是一个刚性稳定的力学结构（图3中件1）；在其周向均布3根以上斜拉装置增加本结构的稳定性以防止因风载等外力作用导致本结构倒塌（图3中件2），这是一个可以承受塔筒内60公斤/平方米负压的塔筒设计。
在本塔筒地面附近建造一个面积为50平方公里的温室加热棚（(图3中件5）与塔筒连接，此温室加热棚具有每秒将20万立方米空气温度提高50℃的加热能力；即晴朗天气环境下在地面温度为20℃时此温室加热棚具有每秒将20万立方米空气温度加热到70℃的能力。当塔筒高度为1000米时被温室加热棚加热的空气通过塔筒内219米直径的流通面积时每立方米空气依靠在塔筒内向上的浮力形成的风动力源做功能力为180公斤.米。这个数值的风力动能将使塔筒内在风力发电机(图3中件4)入口处的风速达到17米/秒，设若通过风力发电机后塔筒内的风速降低到4米/秒（此时塔筒内的负压为1公斤/平方米），则通过风机的每立方米空气纯可利用做功能力为170公斤.米。此时塔筒内的空气流动量为20万立方米/秒，折合为系统在晴朗的白日具有33万千瓦以上的发电能力。夜间的因温室加热棚不工作本系统仍具有25000千瓦的发电能力。在温室内加装储热设备并相应提高加热棚面积有可能保证本系统夜间仍具有10万千瓦以上的发电能力。
设备按20年的使用期限计发电成本在0.03元人民币/度之内。
提高塔筒高度及增大加热棚面积都可以分别正比例提高整个系统的发电能力。按本设计使用优良的抗拉材料（抗拉强度大于钢材而比重小于1）制作的塔筒在上下截面积相同的单节高度即可能达到10000米以上，而采用下大上小的截面积的优质抗拉材料制作的塔筒高度可达到几万米。
地面的空气加热棚是一个相对密封的结构，比如它可以是一个上、下单层或多层塑料膜系统；按本文的发明在密封的加热棚也是一个内部充满低压空气的力学结构。即密闭的加热棚入口采用温室增压风机(图3中件6)将空气吹入温室并将温室材料顶起即可已成为一个有效的廉价温室。厚度为0.5mm的软质塑料膜空气加热棚工作时在温室增压风机上消耗的能量低于1公斤.米/立方米空气并且可以在风力发电机发电时部分回收。设计良好的巨型温室可以将寒冷地区的整个城市或农田覆盖其中，使下层的温度控制在20-30℃的范围内，其内的小环境的温度可以控制到四季如春。
现有的抗压抗弯曲力学结构都是以材料承受压应力的设计为基础材料必须是刚性材料。本发明类似结构的材料可以采用较优质抗拉且严密性能良好的柔性材料。而采用柔性材料制作的抗压及抗弯曲力学结构在实际使用中一方面可以大幅度地降低材料消耗量；另一方面本力学结构的灵活性更强。如：采用柔性材料制作的风力发电机支架（塔筒）或人造风发电的塔筒可在强风来临时降落到地面保证设备的安全。
本方案是彻底解决人类清洁能源需求的最重要方案之。
本发明用在光伏发电领域上使用可以将光伏电池安装在400-1000米的高空可以节省大量的土地资源，而高空光照强光伏电池的效率更高且空气清洁有可能不必考虑光伏电池的清洗问题。而在高空布置密度不大的光伏电池将不会影响地面农作物的生长及一般建筑的采光需求。
本发明用在交通工具领域上使用可以降低交通工具主承力结构的材料消耗量降低制造成本及降低燃料消耗量，长度5米左右的小型轿车的主要承载结构由于使用破坏时已经达到材料最大的抗拉强度其实际抗撞击能力将达到现有设计的10倍左右并且其吸收撞击功的能力也将提高从而大大地提高此类产品使用安全性能。
采用本发明将使制造风力发电机叶片及飞机机翼的材料更加多样化（如可以考虑价格低廉的钢材等）。由于本设计不因长度变化而改变构件的刚度因此叶片在不考虑自身重量时不受长度的限制。而实际应用中可以考虑100-200米以上长度的风机叶片以及飞机机翼的使用并且可以将主承力部分放置在叶片的最外端。将使类似结构成本十分低廉。
本设计由于材料受拉构件的抗扭强度也将大大提高。利用本设计制造的汽轮机主轴等重量可以降低到目前设计的50%以下并且更加适用。如汽轮机主轴将由于轴内流体的热运动启、停机时温度更易于均衡，由于轴两端巨大的拉力汽轮机主轴更加不易变形弯曲。
本发明可以将制造飞机的材料全部改变为较高抗拉强度的钢材或其它抗拉廉价材料制造，其产品将会更加轻盈造价也将会更加低廉，将来甚至可以考虑将飞机出发平台安装在10000米以上的高空，飞机飞行时使用较小的动力及滑行相结合的飞行方法来降低这一快捷交通工具的造价及使用费用。也可以考虑在20000米以上的高度安装太空探测设备出发平台。
本发明构件巨大的刚度将可以将重装的水上航行船只的长度设计成长度超过1000米。
总之，本发明在大跨度（幅度）或较高高度的吊车、桥梁、输电线路支架、各种钢架、塔架、轨道、轴类等几乎全部的抗压、抗弯曲的力学结构中的应用都将明显地降低结构的材料使用量及造价；使很多按目前以材料承压方式设计不可能实现的力学结构得以实现。
本发明的实施方式一般可分为四种：
1、在密封的中空形内截面（截面最好是圆形）的构件内充满高压流体并且采用相应的监控调整措施保持构件内的压力使压力控制在一定范围内来保证构件的刚度达到设计要求的半密封力学结构。
2、在密封的中空内截面（截面最好是圆形）构件内充满压力气体在一定的温度范围内使用的全密封结构。
3、在密封的中空截面（截面最好是圆形）的构件内充满热膨胀系数与杆件材料相同的高压流体然后永久密封。
4、在密封的中空内截面（截面最好是圆形）的构件件内充满热膨胀系数与杆件材料相当的高压固体然后永久密封。
总之本发明的中心思想是改变抗压及抗弯曲力材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，消除了材料受压产生的刚性不稳定因素达到大量节省抗压及抗弯曲力学结构中材料消耗量的目的。
技 术 交 底 附 图
1：塔筒：由抗拉材料制作的柱状塔筒。
2：斜拉结构，用以稳定塔筒结构。
3：塔筒增压风机，作用是保证塔筒外形几何尺寸最大化且保证塔筒顶部承载能力。
4：风力发电机。
风力发电机支架示意图（图1）
技 术 交 底 附 图
1：塔筒：由抗拉材料制作的柱状塔筒。为双层结构，塔筒内外壁之间的密闭结构通过
塔筒增压风机将塔筒升高，塔筒中间空心部位为地面热空气上升时的流动通道。
2：斜拉结构，用以稳定塔筒结构。
3：塔筒增压风机，作用是保证塔筒外形几何尺寸最大化是整个结构的力学稳定的保证。
4：风力发电机。
利用高低空温差发电的系统示意图（图2）
技 术 交 底 附 图
1：塔筒：由抗拉材料制作的柱状塔筒。为双层结构，塔筒内外壁之间的密闭结构通过塔筒增压风机将塔筒升高，塔筒中间空心部位为地面热空气上升时的流动通道。
2：斜拉结构，用以稳定塔筒结构。
3：塔筒增压风机，作用是保证塔筒外形几何尺寸最大化是整个结构的力学稳定的保证。
4：风力发电机。
5：空气加热棚。
6：温室增压风机，用以保证空气加热棚的空间高度。
利用地面温室加热棚加热地面空气通过塔筒发电系统示意图
（图3）
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